1、基于西門子S7一200PLC的立體倉庫控制系統的設計摘 要自動化立體倉庫集存儲、搬運、輸送、分發一體，作為工業物流與計算機集成制造系統(CIMS)的一部分，代表了當今物流發展的趨勢。為了對自動化立體倉庫進行更加有效的管理，提高整體作業效率，要求對控制系統進行優化設計，對貨位進行優化分配，以減少貨物搬運和存儲的成本，降低在存儲及搬運過程中所損耗的時間，從而降低物流成本，提高收益。本文構建了一個實驗室規模的自動化立體倉庫系統，系統是由管理層、監控層和執行層組成的二級系統。在管理系統中，根據自動化立體倉庫中存放貨品的特點，提出了采用分類隨機存儲和定位存儲相結合的貨品存儲策略。按照貨品出入庫頻度進行貨

2、位存儲區域劃分，提高了貨位和存儲區域的利用率。同時針對因同類貨品集中進行出入庫操作而導致巷道阻塞的問題，在進行貨位分配設計時采用一種均勻分配算法，結合電子標簽技術，實現了貨位的自動均勻分配勺就近出入庫，并運用此均勻分配算法實現了批量出入庫作業和單件出入庫作業。執行系統由進/出貨輥道、機械手、堆垛機三個部分組成。研究了整個控制系統的組成結構與控制原理，進行了總休功能設計重點設計了PLC控制的程序模塊，實現了各個單元的單動控制與聯動的順序控制。同時通過PROFIBUSDP現場總線網實現三臺PLC的連接以及與監控系統的通信，接收出入庫指令，完成相應的出入庫操作。為了確保二級系統之間的協調運行，管理層

3、與監控層的通信實現也是很重要的。采用OPC技術實現了兩者的通信，重點研究了組態軟件WinCC中的通信設計以及全局腳本的編寫。本系統經過調試與設備的運行，各部分功能正常;系統=級分層之間實現了相應的通信，靈活的貨品存儲策略與貨位的自動均勻分配克服了傳統立體倉庫的許多不足，提高了倉庫貨位利用率和出入庫效率，達到了預期的效果，不僅保持了系統的靈活性與可靠性，而且提高了整個倉儲系統的自動化水平與工作效率。1.緒論1.1本課題設計的背景立體倉庫一般是指采用幾層、十幾層、乃至幾十層高的貨架儲存單元貨物，用相應的物料搬運設備進行貨物入庫和出庫作業的倉庫。由于這類倉庫能充分利用空間儲存貨物，故常形象地將其稱為

4、“立體倉庫”。立體倉庫的產生和發展是第二次世界大戰之后生產和技術發展的結果。50年代初，美國出現了采用橋式堆垛起重機的立體倉庫；50年代末60年代初出現了司機操作的巷道式堆垛起重機立體倉庫；1963年美國率先在高架倉庫中采用計算機控制技術，建立了第一座計算機控制立體倉庫。此后，自動化立體倉庫在美國和歐洲得到迅速發展，并形成了專門的學科。60年代中期，日本開始興建立體倉庫，并且發展速度越來越快，chengwi當今世界擁有自動化立體倉庫最多的國家之一。我國對立體倉庫及其物料搬運設備的研制開始并不晚，1963年研制成第一臺橋式堆垛起重機（機械部北京起重運輸機械研究所），1973年開始研制我國第一座有

5、計算機控制的自動化立體倉庫（高15米，機械部起重所負責），該庫1980年投入運行。到目前為止，我國自動化立體倉庫數量已超過200座。立體倉庫由于具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業實施現代化管理等特點，已成為企業物流和生產管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業的重視。自動化倉庫應用范圍很廣，幾乎遍布所有行業。在我國，自動化倉庫應用的行業主要有機械、冶金、化工、航空航天、電子、醫藥、食品加工、煙草、印刷、配送中心、機場、港口等。1969年美國數字設備公司（DEC）研制出世界第一臺可編程控制器，并成功地應用在美國（GM）的生產線上。但當時只能進行邏輯運算，故稱為

6、可編程邏輯控制器，簡稱PLC（Programmable Logic Controller）。70年代后期，隨著微電子技術和計算機的迅猛發展，使PLC從開關量的邏輯控制擴展到數字控制及生產過程控制領域，真正成為一種電子計算機工業控制裝置，故稱為可編程控制器，簡稱PC（Programmable Controller）。但由于PC容易與個人計算機（Programmable Computer）相混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。1985年國際電工委員會（IEC）對PLC的定義如下：可編程控制器是一種進行數字運算的電子系統，是專為在工業環境下的應用而設計的工業控制器，它采用了可以編程的

7、存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產過程。PLC是繼電器邏輯控制系統發展而來，所以它在數學處理、順序控制方面具有一定優勢。繼電器在控制系統中主要起兩種作用：（1）邏輯運算（2）弱電控制強電。PLC是集自動控制技術，計算機技術和通訊技術于一體的一種新型工業控制裝置，已躍居工業自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位?？删幊炭刂破鳎喎QPLC。它在集成電路、計算機技術的基礎上發展起來的一種新型工業控制設備。具有1.可靠性高、抗干擾能力強2.設計、安裝容易，.維護工作量少3.功能強、

8、通用性好4.開發周期短，成功率高5.體積小，重量輕、功率低等特點。已經廣泛用于自動化控制的各個領域，并已成為實現工業生產自動化的支柱產品。與繼電接觸器系統相比更可靠；占位空間比繼電接觸器系統??；價格上能與繼電接觸器系統競爭；易于在現場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電磁閥、接觸器與之相當的執行機構；能向中央執行機構；能向中央數據處理系統直接傳輸數據等。因此，進行立體倉庫的PLC控制系統的設計，可以推動機械手行業的發展，擴大PLC在自動控制領域的應用，具有一定的經濟和理論研究的價值。1.2本課題設計的內容本文研究的主要內容包括三個部分：基于電子標簽技術的倉儲物流管理系統：基于西門子S7

9、一200PLC的下位執行機構自動控制系統的實現以及PLC程序的編制：管理層、監控層、控制層三層之間的通信實現。在管理系統中，研究內容涉及到：自動化立體倉庫的出入庫方式、存儲策略及貨位分配原則：根據自動化立體倉庫中存放貨品的特點，提出了采用分類隨機存儲和定位存儲相結合的貨品存儲策略。結合電子標簽技術，根據貨品出入庫頻度劃分貨品的大致存儲區域：在此基礎上，使用貨位自動均勻分配算法實現貨位的均勻分配與貨品的就近出入庫;最后根據此算法實現了批量出入庫作業和單件出入庫作業。在執行系統中，研究內容涉及到：構建一個實驗室規模的自動化立體倉庫系統;分析整個控制系統的構成以及電氣控制原理，進而對下位執行系統進行

10、總體功能設計，并對各單元PLC的控制功能模塊進行了分析;最后迸行PLC程序的編寫，局部調通之后再將三個部分整合在一起進行調試，實現三個單元的順序控制。在管理層 、監控層、控制層的網絡結構與通信實現中主要研究OPC通訊實現過程中，組態軟件WinCC中的相應設置：監控層與控制層的基于現場總線PROFIBUS的具體組網通訊實現以及WinCC中全局腳本的編寫，最終實現管控一體化。1.3本課題設計的目的和意義傳統條件下的庫房管理作業，主要依據人工裝卸，特別是對于一些大型物資，不僅工作效率低，浪費大量的人力、物力，存在較大的安全隱患，同時還占據大量的庫房面積。立體庫的投入使用，徹底解決了這一難題。自動化立

11、體倉庫可以產生巨大的社會效益和經濟效益。它通過高層貨架存儲，使存儲區大幅度地向高空發展，提高空間利用率；自動化立體倉庫采用層積式存放，結合計算機管理，可以很容易實現先入先出，防止貨物的自然老化、變質和損壞；通過自動存取系統（AS/RS），加快了運行和處理速度，提高了勞動生產率，降低操作人員的勞動強度；采用自動化技術后，還能較好地適應黑暗、低溫、污染、有毒和易爆等特殊場合的物品存儲需要；計算機控制能夠始終準確無誤地對各種信息進行存儲和管理，減少了貨物處理和信息處理過程中的差錯；同時借助于計算機管理還能有效地利用倉庫存儲能力，便于清點和盤庫，合理減少庫存，加快資金周轉，節約流動資金，從而提高倉庫的

12、管理水平。自動化倉庫的信息系統可以與企業的生產信息系統集成，實現企業信息管理的自動化。同時，由于使用自動化倉庫，促進企業的科學管理，減少了浪費，保證均衡生產，也提高了操作人員素質和管理人員的水平。2自動化立體倉庫的概述2.1.自動化立體倉庫的定義和分類自動化立體倉庫系統(Autoamted Sotrage And Retireval System,AS/RS)是在不直接進行人工處理的情況下能自動存儲和取出物料的系統，它的主體是自動化立體倉庫。自動化立體倉庫是指采用高層立體貨架(托盤系統)儲存貨物，利用計算機系統進行控制管理，利用自動控制堆垛機及運輸車進行存取作業的倉庫。自動化立體倉庫能自動、嚴

13、密、準確、迅速地對物料進行搬運、存取和揀選。自動化立體倉庫由以下部分組成： 高層貨架：用于存儲貨物的鋼結構。目前主要有焊接式和組合式貨架兩種基本形式。托盤（貨箱）：用于承載貨物的器具，亦稱工位器具。巷道堆垛機：用于自動存取貨物的設備，按結構形式分為單立柱和雙立柱兩種基本形式。按服務方式分為直道、彎道和轉移車三種基本形式。輸送機系統：立體倉庫的主要外圍設備，負責將貨物運送到堆垛機或從堆垛機將貨物移走。輸送機種類非常多，常見的有輥道輸送機，鏈條輸送機，升降臺，分配車，提升機，皮帶機等。AGV系統：即自動導向小車。根據其導向方式分為感應式導向小車和激光導向小車。自動控制系統：驅動自動化立體倉庫系統各

14、設備的自動控制系統。目前以采用現場總線方式為控制模式為主。庫存信息管理系統：亦稱中央計算機管理系統。是自動化立體倉庫系統的核心。目前典型的自動化立體倉庫系統均采用大型的數據庫系統（如ORACLE，SYBASE等）構筑典型的客戶機/服務器體系，可以與其他系統（如ERP系統等）聯網或集成。自動化立體倉庫按照不同的分類原則可以有如下幾種不同的分類：1 按建 筑 形式分類按建筑形式可以分為整體式和分離式。整體式指貨架除了存儲貨物之外，還可以作為建筑物的支撐結構，即庫房與貨架形成一體化結構。分離式是指儲存貨物的貨架獨立存在，建在建筑物內部，主要用于高度不大或者己經有建筑物的情況。2. 按貨架形式分類（1

15、）單元貨格式貨架倉庫。這種形式的倉庫使用最廣，通用性也較強。其特點是貨架沿倉庫的寬度方向分為若干排，每兩排貨架為一組，其間有一條巷道，供堆垛機或其它倉儲機械作業。每排貨架沿倉庫縱長方向分為若干列，沿垂直方向又分為若干層，從而形成大量貨格，用以儲存貨物單元。在大多數情況下，每個貨格存放一個貨物單元(一個托盤或一個貨箱)。在某些情況下，例如，貨物單元比較小，則一個貨格往往存放二、三個貨物單元以便充分利用貨格空間，減少貨架投資。本論文研究的對象就是單元貨格式自動化立體倉庫。(2 )貫通式貨架倉庫。在單元式貨架倉庫中，巷道占去了1/3左右的倉庫面積，為了進一步提高倉庫面積利用率，可以取消位于各排貨架之

16、間的巷道，將貨架合并在一起，使同一層、同一列的貨物互相貫通，形成能依次存放許多貨物單元的通道。在通道的一端，由一臺入庫起重機將貨物單元裝入通道，而在另一端由出庫起重機取貨。(3 )水平旋轉貨架式倉庫。水平旋轉貨架式倉庫中，貨架本身可以在水平面內沿環形路線來回運行。需要提取貨物時，操作人員只需要在操作臺上發出出庫指令，相應的一組貨架便開始運轉，當有該貨物的貨柜來到揀選口時，貨架便停止運轉，操作人員就可以從貨柜中揀選貨物。水平旋轉貨架式倉庫適合于小件貨品的揀選作業。(4) 垂直旋轉貨架式倉庫。垂直旋轉貨架式倉庫與水平旋轉貨架式倉庫相似，只是把水平面內的旋轉改為垂直面內旋轉.垂直旋轉貨架式倉庫特別適

17、用于存放長的卷狀貨物，如地毯、膠片卷等，也可用于小件貨品存儲。3. 按照作業方式分類按作業方式可以分為單元貨架式、移動貨架式和揀選貨架式三種立體倉庫。單元貨架式倉庫是最常見的結構，貨物先放在托盤或者集裝箱內，再裝入單元貨架的貨格中。移動貨架式倉庫中的貨架可以在軌道上行走，由控制裝置控制貨架的合攏和分離。作業時，貨架分開，在巷道中可進行作業。平時貨架可以合攏，只留一條作業巷道，從而減少倉庫面積，提高空間的利用率。揀選貨架式倉庫的分揀機構是這種倉庫的核心組成部分。它有巷道內分揀和巷道外分揀兩種方式。兩種分揀方式又分為人工分揀和自動分揀。4. 按照自動化倉庫的作用可以將其分為生產性倉庫和流通性倉庫兩

18、種。5. 按照自動化倉庫與生產連接的緊密程度可以分為獨立型、半緊密型和緊密型倉庫。2.2采用PLC控制立體倉庫的優點1、低成本 利用電力線上網，最大的優點就是成本低。由于利用電力線上網，直接使用現有電力網就可以實現通信，而不需要另外鋪設電話線、光纜線等，大大地減少了在基礎網絡上的投資。2、范圍廣 無所不在的電力網絡也是這種技術的優勢。電力線是最基礎的網絡，它的規模之大，是其它任何網絡無法比擬的。因為家家都有電力線，由此，運營商就可以輕松地把這種網絡接入服務滲透到每一個家庭。因此，這一技術一旦進入商業化階段，將會促進電信市場的變革，并給互聯網普及帶來極大的發展空間。3、高速 利用電力線上網能夠提

19、供高速傳輸。德國最大的電力設備生產商RWE承諾，運用他們的電力線上網技術，其速度要比ISDN撥號上網快30多倍，比ADSL更快！足以支持現在網絡上各種應用。更高速率的PLC產品正在研制之中。4、便捷 不管在家里的哪個角落，只要連接到房間內的任何電源插座上，就可立即擁有PLC帶來的高速網絡享受！5、永遠在線 PLC屬于“即插即用”不用繁瑣的撥號過程，接入電源就等于接入網絡。6、結構靈活 通過PLC技術實現Internet接入，可以靈活擴展接入端口數量，使資源保持較高的利用率。目前還未有效解決電力線信號通過變壓器的技術，因此，電力線通信設備都是集中在220V線路變壓器的用戶端。7、家庭數字化 PL

20、C技術能夠通過電力線將整個家庭的電器與網絡聯為一體，在室內的設備之間構筑起可自由交換信息的局域網，使人們能夠通過網絡來控制自己家里的電器設備。2. 3自動化立體倉庫的現狀及發展趨勢我國 在 自 動化立體倉庫的研究和應用方面起步較早。1963年，北京起重運輸機研究所設計了第一臺1.25t橋式堆垛機，并由大連起重機廠完成試制。1974年，鄭州紡織機械廠建成了我國第一座立體倉庫，這座倉庫是利用原有鋸齒形廠房改建而成的，用于存放模具。1977年，北京起重運輸機研究所等單位研究制造出北京汽車制造廠自動化倉庫，這座自動化倉庫屬于整體式結構，采用計算機進行控制和數據處理。從此以后，自動化立體倉庫在我國得到迅

21、速發展。我國目前己經建成數百座各種類型的自動化倉庫，多數是中小型自動倉庫。目前，自 動化立體倉庫在發達國家己相當普遍，日本是自動化倉庫發展最快、建造數量最多的國家。此外，美國、德國、瑞士、意大利、英國和法國等國家也建造了許多自動化倉庫。發展至今，自動化倉庫在設計、制造、自動化控制和計算機管理方面的技術也日趨成熟。近些年我國自動化倉庫技術發展很快，己實現了與其它信息決策系統的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。盡管如此，至今在我國已建成的集成化倉儲系統還不多，我國的自動化立體倉庫與國外發達國家相比，無論是從數量上還是從建設水平上都有著比較大的差距.由于自動化立體倉庫在當今物流和制造業中的

22、廣泛應用、計算機技術和網絡技術的推波助瀾，使得立體倉庫的發展十分迅速，其發展趨勢主要有：1 倉儲作業管理自動化水平逐步提高。隨著生產的進一步發展，對物流的要求將更加嚴格。具體來說，就是在要求的時間內、在準確的地點、按準確的順序與方法、提供準確的品種和數量的貨物。2. 智能技術將會獲得應用。人工智能技術的發展，推動了自動化技術向其高級階段一智能化方向發展，已經在倉庫的設計、搬運系統的控制和儲運設備的選用等方面應用了專家系統。3. 倉庫作業向柔性化發展。隨著柔性化的普及，自動化倉庫的儲運作業也將向柔性化發展。國外已經開始出現一批可拆卸的或移動式的倉庫結構。2.4本文立體倉庫模型與工作方式的設定本文

23、設定倉庫類型為單元貨格式自動化立體倉庫;倉庫規模設定為4巷道8排20列10層共計1600個貨位:倉庫中相關設備主要有巷道式堆垛機、出入庫臺(位于貨架同側)、輥道輸送系統等設備，以上設備均通過S7200PLC 進行控制;工作方式為單元出入庫作業和揀選出入庫作業。同時設定管理級與監控級位于同一臺計算機上，因此不需要進行遠程訪問，現場PC一PLC之間通信距離較短時，采用簡單的PC用PI電纜來進行點對點的連結，三臺PLC之間采用現場總線PROFIBUS一DP 網組成網絡，實現數據交換與實時控制。2.5系統設計的基本步驟立體倉庫系統設計與調試的主要步驟，如下圖21所示：在立體倉庫控制系統的設計過程中主要

24、考慮以下幾點：深入了解和分析立體倉庫的工藝條件和控制要求。確定I/O設備。根據立體倉庫控制系統的功能要求，確定系統所需的用戶輸入、輸出設備。根據I/O點數選擇合適的PLC類型。分配I/O點，分配PLC的輸入輸出點，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。設計立體倉庫系統的梯形圖，根據工作要求設計出周密完整的梯形圖程序，這是整個立體倉庫系統設計的核心工作。將程序輸入PLC進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序更加完善。立體倉庫整體調試，在PLC軟硬件設計和現場施工完成后，就可以進行整個系統的聯機調試，調試中發現的問題要逐一排除，直至調試成功。確定課題研究課內容確定方案查找資料設計電氣原理圖根據

25、控制要求確定硬件配置根據要求編寫程序系統結構的設計調試程序記錄運行結果并分析總結錯誤圖21立體倉庫控制系統設計步驟3.自動化立體倉庫PLC控制系統的硬件功能設計與實現3.1相關硬件簡介相關硬件簡介1. 輥道輸送機本系統中共設有二臺輥道輸送機，進貨與出貨可根據需要來設計程序進行自由控制。每臺輥道輸送機的前后均裝有光電傳感器，其作用是確認控制對象(以小實心物塊代替)的所在位置。當有物體通過時，傳感器所連接的繼電器瞬間收到脈沖信號，從而確認其位置.為了真實的模擬物流搬運工序，輥道皮帶設計為既可正轉也可反轉，速度也分為高速及低速兩檔。2. 四自由度機械手四自由度機械手為圓柱坐標型，可實現X軸伸縮、Y軸

26、升降、底盤旋轉、臂、腕旋轉功能。機械手用于輥道、出入庫臺之間的貨物傳遞。3. 全自動立體倉庫一臺全自動堆垛機、一個巷道、二排貨架(4層×6列)和二個出入庫臺構成一個全自動立體倉庫。全自動堆垛機其實質為一臺三自由度機械手，有三個運行機構：升降運行機構、行走運行機構和貨叉伸縮機構。4. 電子標簽系統電子標簽系統主要由讀寫器和電子標簽組成。電子標簽芯片采用了INTERMEC公司的915MHz芯片，通信數據速率為9600bps，具備防沖突機制，具備數據完整性及數據安全性。讀寫器采用美國Intermec公司的2100 915M讀寫器。該讀寫器支持串口及標準網口通信。讀取距離可達5米，寫入距離為

27、讀取距離的70%。在開發的管理信息系統中，貨品編碼模擬EPC(Elceortn Prodctuino Cdoe)編碼方式，對商品信息編碼采用12個字節編碼方式。第一個三位編碼為生產廠商編號，第二個三位編碼為客戶編號，第三個三位編碼為種類編號，最后一個三位編碼為流水號。5. 傳感器件本系統選用有光電傳感器、顏色識別傳感器、稱重變送器、鐵(金屬)/非鐵(非金屬)識別傳感器等。6 步進電機步進電機是美國SHAPHON公司與北京斯達特機電科技發展有限公司98 年初聯合推出的SH系列步進電機驅動器，型號是SH一2H057M。它把計算機控制系統提供的弱電信號放大為步進電機能夠接受的強電信號?？刂葡到y提供給

28、驅動器兩相重要的信號，一相為CP信號：每接受一個脈沖信號就驅動步進電機旋轉一步距角，CP脈沖的個數決定了步進電機旋轉的角度，這樣控制系統通過脈沖信號CP就可以達到電機調速和定位的目的;另一相為方向電平信號DIR：它決定了電機的旋轉方向。PLC具有高速計數以及脈沖輸出的功能，通過特定的指令和特殊數據存儲器可以產生驅動步進電機的脈沖信號，實現位置控制。7 通信處理器EM277EM 27 7是連接SIMATIC現場總線PROFIBUS一DP從站的通信模塊，通過EM277可以將S7 200CPU作為現場總線PROFIBUS一DP的從站連接到網絡中。EM277經過串行I/0總線連接到S7 200CPU。

29、PROFIBUS網絡經過其DP通信端口，連接到EM277PROFIBUS一DP 模塊。作為DP從站，EM27模塊接收從主站傳來的多種不同的1/0配置，向主站發送和接收不同數量的數據。與許多DP站不同的是，EM277模塊不僅僅是傳輸FO數據，EMZ277還能讀寫S7200CPU中定義的變量數據塊。為了將 EM 277作為一個DP從站使用，用戶必須設定與主站組態中的地址相匹配的DP端口地址。從站地址是使用EM277模塊上的旋轉開關設定的。在變動旋轉開關后，用戶必須重新啟動CPU 電源，以便使新的從站地址起作用。一旦EM 277PROFBIUS一DP 模塊己用一個DP主站成功地進行了組態，EM277

30、和DP主站就進入數據交換模式。在數據交換模式中，主站將輸出數據寫入到EM277PROFIBUS一DP 模塊，然后，EM277模塊響應最新的S7200CPU 輸入數據。EM277模塊不斷地更新其從S7200CPU傳來的輸入，以便向DP主站提供最新的輸入數據。然后，該模塊將輸出數據傳送給S7200CPU。從主站傳送過來的輸出數據存放在V 存儲器中(輸出緩沖區)由某地址開始的區域內，自動化立體倉庫PLC控制與貨位分配研究而該地址是在初始化期間，由DP主站提供的。傳送到主站的輸入數據取自V存儲器存儲單元(輸入緩沖區)，其地址是緊隨輸出緩沖區的。 控制系統簡介實驗平臺上的控制對象可分為三個控制區域，即輸

31、送帶、機械手及立體倉庫。三個部分的自動控制采用的可編程控制器均為西門子57一20 系列PLC。三個部分可獨立作為一個課題來進行實驗開發研究，也可以將三個部分綜合起來作為一個完整控制系統進行實驗開發。1. 輥道輸送機控制本系統中共有二臺輥道輸送帶，其傳動采用交流變頻調速系統控制，可進行速度調節設定及正、反轉控制。每臺輸送機可由安裝在其上面的光電開關根據程序設計自動控制啟/停及正/反轉，完成貨物送入、取出動作。在實驗臺的按鈕板上有一些轉換開關和按鈕，用于手動控制操作。2. 四自由度機械手控制四自由度機械手的X軸伸縮、Y軸升降、底盤旋轉驅動均采用步進電機，臂腕旋轉采用直流電機驅動，夾爪采用氣動方式。

32、主要完成從二臺輥道輸送機到立體倉庫出入庫臺之間的貨物傳遞。在實驗臺的按鈕板上有一些轉換開關和按鈕，用于手動控制操作。在發生緊急情況時，可按下緊停按鈕，用以切斷步進電機控制模塊的電源。3. 立體倉庫及自動堆垛機控制在立體貨庫中配有一臺全自動堆垛機，由二臺步進電機和一臺直流電機控制，可進行行走、升降及叉貨控制。主要根據設計程序，進行立體倉庫進貨的自動存儲及出貨的自動提取。堆垛機在行走方向共有三個限位開關：左/右極限限位開關和行走認址限位開關，行走的位置靠碰到限位開關計數來完成。堆垛機在升降方向共有四個限位開關：上/下極限限位開關、一個入庫認址限位開關和一個出庫認址限位開關，升降的位置靠碰到限位開關

33、計數來完成。在實驗臺的按鈕板上有一些轉換開關和按鈕，用于手動控制操作。在發生緊急情況時，可按下緊停按鈕，用以切斷步進電機控制模塊的電源。4 DP網主站在一臺計算機中裝有一塊CSP161網卡和三塊EM277DP網卡一起構成一個PROFIBUS一DP網。CP5611作DP網主站，其余三臺作DP網從站。在主站計算機上帶有西門子組態軟件WinCC，用來監控整個DP網的運行，組網的具體方法將在軟件設計部分詳細介紹。3.2 S7200系列PLC與PC機的硬件連接本自動化立體倉庫模型整個整個下位控制系統三大組成部分：輥道、機械手、堆垛機的自動控制實現用到的可編程控制器均是S7200系列PLC。同其它的PLC

34、一樣基本組成也是由單元加編程器，在需要進行系統擴展時，系統組成中還包括：數字擴展單元模塊、模擬量擴展單元模塊、通信模塊、網絡、人機界面HMI等。 采用PC/PPT電纜建立個人計算機與S7200CPU的連接。具體實現過程如下：設置PC/PPI電纜開關（下0，上1）；在DIP開關上：選擇計算機所支持的波特率：9600（123設置為010） 選擇11位（4設置為0） 選擇DCE（5設置為0）PC/PPI電纜的RS232端（標有PC）連接到PC的通信口：COM或COM2。PC/PPI電纜的RS485端（標有PPI）連接到CPU的通信口。圖連接PC/PPI電纜自動化立體倉庫控制系統的總體設計本文研究的實

35、驗室規模的自動化立體倉庫是一個集硬件、軟件、通信、建模、仿真于一體的控制系統。在畢業論文的完成過程中，首先從對可編程邏輯控制器的學習入手，了解和熟悉了整個系統的的結構和電氣連接圖，完全領會本系統要完成的任務，掌握各電氣設備的工作原理，以便更好地分析和處理工作中出現的問題。制定畢業論文的方案，即控制系統的流程分析和工作中要完成的任務。統計出用PLC控制整個系統所需要的模塊和輸入、輸出點數，用三個S7200 系列PLC分別完成對輥道、機械手和堆垛機的控制。在熟悉了PLC的控制原理以后，進入到本次論文的重點：軟件編程，先從局部著手，按照控制系統的三個組成部分，局部進行編程調試，當全部調通以后，再完成

36、入庫、出庫的自動編程、手動編程以及網絡連接編程。同時要通過PROFIBUSDP現場總線網實現三臺PLC 之間的數據傳遞。最后，完成與監控系統的通信，接收出入庫命令，完成相應的出入庫操作。3.3.1自動化立體倉庫控制系統的整體功能分析整個實驗室規模的自動化立體倉庫采用分布式控制，有三個控制對象：輥道、機械手、堆垛機，每個控制對象由一臺具有通信功能的57一20系列PLC控制，并且相互之間通過三個EM277(DP擴展從站模塊)連接到PROFIBUs 一DP現場總線網上，實現與上位機的通信，各個PLC之間通過組態軟件WinCC的控制中心進行數據交換，如圖今32所示。上位機STMATIC200輥道STM

37、ATIC200機械手STMATIC200堆垛機EM277PROFIBUS-DPEM277PROFIBUS-DPEM277PROFIBUS-DPPROFIBUS圖32整個控制系統結構圖整個控制系統的三個PLC首先需要完成獨立的手、自動操作，最后將三個單元整合在一起，實現數據交換，接收監控系統發送過來的出入庫指令、完成相應的出入庫操作，并成功返回操作完成信號。.2自動化立體倉庫控制系統各單元I/O點的分配整個系統中，輥道控制系統所采用的PCL 是S7一200 CPU224，該部分系統總共使用了13個輸入點、9個輸出點，具體的I/O點分配如表31、表3-2所示。表31輥道輸入元件地址分配表表32輥道

38、輸出元件地址分配表 機械手控制系統所采用的PLC 是S7200 CPU226，該部分控制系統總共使用了23個輸入點、巧個輸出點，具體的I/O點分配如表33、表34所示。表33機械手輸入元件地址分配表表34機械手輸出元件地址分配表堆垛機控制系統所采用的PLC是S7200 CPU226，該部分控制系統總共使用了24個輸入點、16個輸出點，具體的I/O點分配如表35、表36所示。所示。表35 堆垛機輸入元件地址分配表表36堆垛機輸出元件地址分配表3.4自動化立體倉庫控制系統各單元PLC控制功能模塊設計根據總體控制系統方案，結合硬件原理圖、軟件編程、網絡通信等相關方面，完成輥道進/出貨控制、四自由度機

39、械手搬運貨品控制和堆垛機運送貨品控制的局部調試。最后實現控制系統的順序控制。在實際自動化立體倉庫系統中，PLC控制器直接與物流自動線相連，處理從自動線輸入的各種位置信號以及檢測信號，同時根據自動線的運行情況，輸出各種控制信號，來控制自動線上的各種操作。因此，PLC作為控制器協調系統的運行。PLC控制程序的編寫，必須按照自動線的運行要求來編寫。在本文中，PLC邏輯控制程序采用梯形圖的方式進行編寫，參考實際的工作流程，根據傳感器的信號去控制運行設備的不同動作，為使程序簡單應把常用的程序段設置為子程序進行調用。三個單元PLC 實現順序控制的程序流程大致如圖33所示。開機檢測，系統初始化收到WinCC

40、發送過來的入庫操作信號收到WinCC發送過來的出庫操作信號點動進貨裝置檢測到貨物，入庫輥道動作，調用子程序0WinCC將輥道進貨運行結束信號發送給機械手PLC機械手動作，調用子程序2WinCC將機械手運行結束信號發給堆垛機，堆垛機動作，調用子程序3入庫結束將入庫完成報告返回監控系統，堆垛機復位，等待下一個指令。堆垛機動作，調用子程序4WinCC將堆垛機運行結束信號發送給機械手PLC，機械手動作，調用子程序5WinCC將機械手運行結束信號發送給輥道，出貨輥道動作，調用子程序1出庫結束，將出庫完成報告返回監控系統，等待下一個出庫操作命令 圖33自動化立體倉庫總體流程圖3.4.1輥道進/出貨控制功能

41、模塊設計根據變頻器工作原理及其與PLC的連接，編寫程序進行調試，完成輥道輸送帶的啟/?？刂疲?反轉控制，高/低速控制，并且把進出貨光電傳感器的信號送入PLC，通過FO送給組態監控軟件WinCC，再用OPC方式把數據參數送給管理信息系統，并通過ADO技術把數據送往數據庫作為貨品信息存儲起來。在 STEP 7Micro/WIN編程環境中作者主要設計的程序模塊有：主程序、進貨輥道運行程序、出貨輥道運行程序、初始化程序、DP網通信程序。進貨輥道運行程序主要完成從進貨點動裝置啟動到進貨完成的過程。程序中還編制實現了進貨變頻器的正轉和反轉。進貨輥道上有一個進貨輥道后光電開關。出貨輥道運行程序主要完成從接

42、收機械手運行結束信號到貨物出庫完成的過程。程序中同樣編制實現了出貨變頻器的正轉和反轉.出貨輥道上有兩個光電開關：出貨輥道前光電、出貨輥道后光電。DP 網通信程序主要完成輥道與組態軟件枯WinCC的變量組態連接。根據對輥道進/出貨控制功能的分析，子程序0實現的功能：進貨點動裝置檢測到貨品后，入庫輥道開始動作，當輥道上的光電開關檢測到貨品到達后，入庫輥道停止運行。子程 序 1實現的功能：WinCC將機械手運行結束信號傳送給出庫輥道。出庫輥道前端的光電開關檢測到貨品，出庫輥道動作，當后端的光電開關檢測到貨品到達后，出庫輥道停止運行。一次出庫操作完成，返回出庫成功信息給WinCC。子程序0和子程序1的

43、流程圖，如圖34、圖35所示初始化收到WinCC發送來的入庫指令進貨輥道位是否為1進貨輥道正轉進貨輥道后光電位是否為1否是否是進貨輥道停止運行圖34子程序0流程圖 初始化收到WinCC發送來的機械手運行結束指令出貨輥道前光電位是否為1出貨輥道正轉出貨輥道后光電位是否為1否是否是出貨輥道停止運行圖35子程序1流程圖四自由度機械手控制功能模塊設計圖36四自由度機械手1. 3號輥道貨臺2. 2號輥道貨臺3.抓手步進電機4. 1號輥道貨臺5.升降步進電機6、8.堆垛機貨臺7.轉盤直流電動機機械手接收入庫光電傳感器的開關指令。利用步進電機的工作原理，編寫程序，完成機械手的伸縮、升降、底盤回轉和抓手抓緊等

44、動作，同時運行到位后，向堆垛機發出啟動命令。在 SETP7Micro/WIN編程環境中作者主要設計的程序模塊有：主程序、入庫程序、出庫程序、初始化程序、X軸移動程序、Y軸移動程序、底盤轉動程序、抓手動作程序、調試程序。入庫程序主要實現機械手從進貨輥道抓取貨物，通過X軸移動、Y軸移動以及底盤轉動將貨物放至入庫臺。機械手具有5個位置：0號位(復位位置)、1號位(對應右排出入庫臺)、2號位(對應出貨輥道)、3號位(對應進貨輥道)、4號位(對應左排出入庫臺)。入庫啟動時，機械手源位為3號位，目的位與堆垛機選擇相符，若堆垛機選擇左排，則目的位為4號位;若堆垛機選擇右排，則目的位為1號位。所以，入庫程序分

45、為入庫啟動3號位到1號位和入庫啟動3號位到4號位兩大塊。完成入庫操作后，機械手自動復位。X軸移動程序主要實現機械手在X軸方向的動作。X軸移動通過步進電機進行控制。采用高速脈沖數處理指令PLS來完成步進電機脈沖控制。在S7一200中，只有輸出繼電器Q0.0和Q0.l具有高速脈沖輸出功能。使用Q0.0作為機械手X軸移動高速脈沖串的輸出端，采用SMB67 作為高速脈沖輸出的控制字節。在進行設計以及通過多次運行調試后，最終確定X軸1號位前移脈沖數為3600，X軸2號位前移脈沖數為33500，X軸3號位前移脈沖數為33500，X軸4號位前移脈沖數為35000。采用PLS指令完成步進電機脈沖控制的PLC程

46、序設計如圖36所示。機械手X軸方向設置了三個限位開關：X軸前限位、X軸中限位、X軸后限位。Y軸移動程序主要實現機械手在Y軸方向的升降動作。Y軸移動也是通過步進電機進行控制。作者同樣采用高速脈沖數處理指令PLS來完成步進電機脈沖控制。使用QO.1作為機械手Y軸移動高速脈沖串的輸出端，采用SMB7作為高速脈沖輸出的控制字節。作者在進行設計以及通過多次運行調試后，最終確定Y軸1號位下降脈沖數為3800，X軸2號位下降脈沖數為3600，X軸3號位下降脈沖數為36500，X軸4號位下降脈沖數為3700。相應的程序設計如圖初始化程序用于初始化X軸移動和Y軸移動時的脈沖設置。底盤轉動程序包括底盤限位計數、底

47、盤當前位置、底盤轉動三塊。底盤限位計數程序段中采用一個遞增計數器進行計數，預設值為10。底盤轉動也采用步進電機進行脈沖控制。底盤轉動有兩個限位開關：底盤正轉限位和底盤反轉限位。抓手動作程序完成機械手的取放貨物動作。抓手動作采用氣泵進行控制。調試程序用于進行實驗調試，主要完成的工作是確定機械手X軸移動和Y軸移動在4個位置時所需要的脈沖數，以確保機械手的準確動作。DP網通信程序主要用于機械手與組態軟件Wi nCC之間的變量組態連接。根據以上對機械手功能模塊的分析。子程序2實現的功能：WinCC將入庫輥道運行結束信號傳送給機械手PLC，置其源位為3號位。根據winCC傳送過來的貨位排，選擇左/右排，

48、選擇左排時置其目的位為4號位，選擇右排時置其目的位為1號位。機械手通過X軸前后伸縮和Y軸升降以及臂腕動作和抓手動作，將貨品從入庫輥道傳遞到左/右排出入庫臺。子程序5實現的功能：WinCC將堆垛機運行結束信號傳送給機械手，機械手開始動作，根據勿右排信息分別選擇其源位為4號位和1號位，目的位為2號位(出庫輥道)。機械手通過X軸前后伸縮和Y軸升降以及臂腕動作和抓手動作，將貨品從左/右排出入庫臺傳遞到出庫輥道。子程序2和子程序5的流程圖收到WinCC發送過來的輥道運行結束信號X3號位前移是否到位Y3號位下降是否到位啟動3號位X軸后移Y3號位上升是否到位啟動1號位X軸前移，Y軸下降1號位X軸前移到位，Y

49、軸下降到位啟動1號位X軸后移，Y軸上升1號位X軸后移到位，Y軸上升到位轉盤源位限位入庫啟動1號位到0號位啟動4號位X軸前移，Y軸下降4號位X軸前移到位，Y軸下降到位抓手動作，手腕旋轉啟動4號位X軸后移，Y軸上升4號位X軸后移到位，Y軸上升到位轉盤源位限位入庫啟動1號位到0號位否是啟動3號位Y軸下降是抓手動作，手腕旋轉是啟動3號位Y軸上升X3號位后移是否到中限位是入庫啟動3號位到1號位是目的位是否為1號位否否否否初始化啟動3號位X軸前移目的位4號位入庫啟動3號位到4號位抓手動作，手腕旋轉入庫啟動0號位到3號位初始化收到WinCC發送過來的堆垛機運行結束信號X1號位前移是否到位Y1號位下降是否到位

50、啟動1號位X軸后移Y1號位上升是否到位是啟動1號位Y軸下降是抓手動作，手腕旋轉是啟動1號位Y軸上升X1號位后移是否到中限位否否否否啟動1號位X軸前移出庫啟動0號位到1號位出庫啟動1號位到2號位是目的位為2號位X4號位前移是否到位Y4號位下降是否到位啟動4號位X軸后移Y4號位上升是否到位是啟動4號位Y軸下降是抓手動作，手腕旋轉是啟動4號位Y軸上升X4號位后移是否到中限位否否否否啟動4號位X軸前移出庫啟動0號位到4號位出庫啟動4號位到2號位是目的位為4號位啟動2號位X軸前移，Y軸下降2號位X軸前移到位，Y軸下降到位啟動2號位X軸后移，Y軸上升2號位X軸后移到位，Y軸上升到位轉盤源位限位入庫啟動2號

51、位到0號位抓手動作，手腕旋轉全自動堆垛機控制功能模塊設計圖3 全自動堆垛機1.升降電動機2.貨叉3、6.傳動絲杠4.貨品5.貨格7.行走電動機在設計堆垛機控制功能模塊的首先要考慮堆垛機的自動認址和調速控制。1. 巷道堆垛機是自動化立體倉庫中最主要的設備，它通過對貨物進行存取和轉移，完成入庫、出庫和倒庫功能。為此堆垛機具有三大機構:運行機構、起升機構、貨叉伸縮機構。運行機構與起升機構使堆垛機到達指定貨位。貨叉伸縮機構與起升機構組合完成存取作業。這三大機構是由堆垛機的自動控制系統控制的。因此自動控制系統對于堆垛機是至關重要的。在設計堆垛機的自動控制系統時，首先必須解決堆垛機的自動停位問題，即它必須

52、具備自動認址及快速精確定位的功能。立體倉庫貨架上的每個貨位必須具有堆垛機能識別的編碼。用三維坐標(X、Y、Z)表示貨位號(排、列、層)。堆垛機應能自動檢測它當前所處的坐標位置，使其能到達指定貨位。其中X向坐標，對每一臺堆垛機來說只有兩個位置，所以我們可以用貨叉向左或向右運動來表示，因此只需檢測Y坐標與Z坐標即可。通常我們提到的認址問題也都是指這兩個坐標的檢測?，F在較先進的檢測元件一般均采用紅外光電開關，它們利用安裝在貨架每一列上的運行認址片及安裝于堆垛機立柱每一層上的起升認址片，在每次通過認址片時對相應紅外光電開關進行擋光或透光，使紅外光電開關的狀態發生變化，從而得到堆垛機的Y、2坐標。我們經

53、常采用的認址方式有絕對認址和相對認址兩種方式。2. 為提高堆垛機的作業效率，必須提高其三大機構的運轉速度。現代堆垛機運行速度一般為80120m/min，起升速度約為10一16 m/min左右。為保證較高的停準精度(一般最大誤差為±10m)，堆垛機在臨近指定貨位停機前又必須以較低的速度運轉。根據經驗，此時運行速度約為34 m/min，起升速度約為2 m/min，因此運行機構與起升機構均存在調速問題。運行機構的調速比一般為15:1一30:l，起升機構的調速比約為(68):1。研究和實踐結果表明，變頻調速在各種調速方案(如變極調速、子母電動機調速、可控硅調速、變頻調速)中是一種比較理想的方

54、案，這是因為它的調整范圍大(采用普通的異步電動機時，一般可用2一50Hz，必要時可用到60Hz)，有多種輸出特性選擇，控制簡單、工作可靠、節能，并有大量成熟產品可供選用。經過以上的分析，可以得出以下的結論:（1）推薦采用相對認址方式，但應解決好它的可靠性問題?？梢圆捎密浖c硬件相結合的方法，使其可靠性問題在較大程度上得以解決。經實踐檢驗效果良好。（2）堆 垛 機的調速可采用較先進的變頻調速，但由于市場上的變頻器均為通用型的，在堆垛機上應用時應注意協調好堆垛機的要求與變頻器性能間的關系，否則會影響堆垛機的性能與可靠性，甚至使它無法正常工作。堆垛機接收到機械手把貨品運送到位的命令。利用步進電機控制

55、堆垛機和直流電機控制伸叉的工作原理，編寫程序，根據設計要求完成堆垛機的行走和升降、伸叉的左右運行，同時堆垛機上有進貨認址限位開關和出貨認址限位開關，以確保堆垛機運行的準確性。在STEP7Micro/WIN編程環境中主要設計的程序模塊有：主程序、初始化程序、行走計數程序、升降計數程序、行走運行程序、升降運行程序、DP網通信程序、伸叉復位程序。行走計數程序主要用于控制堆垛機在行走運行時的位置定位。作者在設計時使用一個增減計數器來進行步數控制。如圖3所示。入庫操作時，通過比較當前列與目的列的值來進行精確定位。如果當前列大于目的列，則堆垛機向左運行(出入庫臺方向);反之，如果當前列小于目的列，則堆垛機

56、向右運行，直到當前列等于目的列，堆垛機停止水平行走。出庫操作時，通過比較當前列與源列的值進行精確定位。如果當前列大于源列，則堆垛機向左運行;反之，如果當前列小于源列，則堆垛機向右運行，直到當前列等于源列，堆垛機停止水平行走。升降計數程序主要用于控制堆垛機在垂直升降方向運行時的位置定位。在設計時同樣使用一個增減計數器來進行步數控制。如圖3所示。入庫操作時，通過比較當前層與目的層的值來進行精確定位。如果當前層大于目的層，則堆垛機下降運行:反之，如果當前層小于目的層，則堆垛機上升運行，直到當前層等于目的層，堆垛機停止垂直升降運行。出庫操作時，通過比較當前層與源層的值來進行精確定位。如果當前層大于源層，則堆垛機下降運行;反之，如果當前層小于源層，則堆垛機上升運行，直到當前層等于源層，堆垛機停止垂直升降運行。行走運行程序主要用于控制堆垛機的水平方向運行。堆垛機在水平方向的動作通過步進電機控制。作者同樣使用高速脈沖數處理指令PLS來完成此控制。使用QO.O作為堆垛機水平運行高速脈沖串的輸出端，采用2段管線PTO輸出高速脈沖串。采用SMB67作為高速脈沖輸出的控制